Страница 119 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.198. Одним из способов синтеза кетонов является взаимодействие солей карбоновых кислот с литийорганическими реагентами. Предложите механизм данного превращения. Как с помощью данного метода получить: а) ацетон; б) ацетофенон; в) метилэтилкетон; г) дибензилкетон; д) фенилэтилкетон?

Синтез кетонов из карбоновых кислот и литийорганических соединений является эффективным методом, который позволяет избежать побочной реакции дальнейшего превращения кетона в третичный спирт. Это достигается за счет образования стабильного тетраэдрического интермедиата, который не распадается до обработки реакционной смеси водой.

Механизм превращения:

Реакция требует использования двух эквивалентов литийорганического реагента ($R'Li$) на один эквивалент карбоновой кислоты ($RCOOH$).

1. Первый эквивалент $R'Li$ действует как сильное основание и депротонирует карбоновую кислоту, образуя литиевую соль карбоновой кислоты (карбоксилат лития) и углеводород. Эта реакция является быстрой кислотно-основной реакцией.

$R-COOH + R'-Li \longrightarrow R-COO^{-}Li^{+} + R'-H$

2. Второй эквивалент $R'Li$ действует как нуклеофил и атакует электрофильный атом углерода карбоксилатной группы. Это приводит к образованию стабильного дианионного тетраэдрического интермедиата (ди-литиевой соли гем-диола).

$R-COO^{-}Li^{+} + R'-Li \longrightarrow \begin{bmatrix} \qquad O^{-}Li^{+} \\ | \\ R-C-R' \\ | \\ \qquad O^{-}Li^{+} \end{bmatrix}$

Этот интермедиат достаточно стабилен при низких температурах и не элиминирует группу $O^{-}Li^{+}$, чтобы образовать кетон. Если бы кетон образовался на этой стадии, он бы немедленно прореагировал с оставшимся $R'Li$ с образованием третичного спирта.

3. Обработка водой (гидролиз). На заключительной стадии реакционную смесь обрабатывают водным раствором кислоты (например, $H_3O^{+}$). Происходит протонирование дианионного интермедиата с образованием неустойчивого гем-диола, который сразу же теряет молекулу воды, превращаясь в конечный продукт — кетон.

$\begin{bmatrix} \qquad O^{-}Li^{+} \\ | \\ R-C-R' \\ | \\ \qquad O^{-}Li^{+} \end{bmatrix} \xrightarrow{H_3O^{+}} \begin{bmatrix} \qquad OH \\ | \\ R-C-R' \\ | \\ \qquad OH \end{bmatrix} \longrightarrow \underset{\text{кетон}}{R-\overset{\Large O}{\overset{||}{C}}-R'} + H_2O + 2Li^{+}$

а) ацетон

Ацетон ($CH_3-CO-CH_3$) является симметричным кетоном. Для его синтеза необходимы уксусная кислота и два эквивалента метиллития.

$CH_3COOH + 2 \cdot CH_3Li \xrightarrow{1. \text{растворитель}} \xrightarrow{2. H_3O^{+}} CH_3-\overset{\Large O}{\overset{||}{C}}-CH_3$

Ответ: уксусная кислота ($CH_3COOH$) и метиллитий ($CH_3Li$).

б) ацетофенон

Ацетофенон ($C_6H_5-CO-CH_3$) — несимметричный кетон. Возможны два пути синтеза:

1. Из бензойной кислоты и метиллития:

$C_6H_5COOH + 2 \cdot CH_3Li \xrightarrow{1. \text{растворитель}} \xrightarrow{2. H_3O^{+}} C_6H_5-\overset{\Large O}{\overset{||}{C}}-CH_3$

2. Из уксусной кислоты и фениллития:

$CH_3COOH + 2 \cdot C_6H_5Li \xrightarrow{1. \text{растворитель}} \xrightarrow{2. H_3O^{+}} C_6H_5-\overset{\Large O}{\overset{||}{C}}-CH_3$

Ответ: бензойная кислота ($C_6H_5COOH$) и метиллитий ($CH_3Li$) или уксусная кислота ($CH_3COOH$) и фениллитий ($C_6H_5Li$).

в) метилэтилкетон

Метилэтилкетон ($CH_3-CO-CH_2CH_3$) — несимметричный кетон. Возможны два пути синтеза:

1. Из пропионовой кислоты и метиллития:

$CH_3CH_2COOH + 2 \cdot CH_3Li \xrightarrow{1. \text{растворитель}} \xrightarrow{2. H_3O^{+}} CH_3CH_2-\overset{\Large O}{\overset{||}{C}}-CH_3$

2. Из уксусной кислоты и этиллития:

$CH_3COOH + 2 \cdot CH_3CH_2Li \xrightarrow{1. \text{растворитель}} \xrightarrow{2. H_3O^{+}} CH_3-\overset{\Large O}{\overset{||}{C}}-CH_2CH_3$

Ответ: пропионовая кислота ($CH_3CH_2COOH$) и метиллитий ($CH_3Li$) или уксусная кислота ($CH_3COOH$) и этиллитий ($CH_3CH_2Li$).

г) дибензилкетон

Дибензилкетон ($C_6H_5CH_2-CO-CH_2C_6H_5$) — симметричный кетон. Для его синтеза необходимы фенилуксусная кислота и два эквивалента бензиллития.

$C_6H_5CH_2COOH + 2 \cdot C_6H_5CH_2Li \xrightarrow{1. \text{растворитель}} \xrightarrow{2. H_3O^{+}} C_6H_5CH_2-\overset{\Large O}{\overset{||}{C}}-CH_2C_6H_5$

Ответ: фенилуксусная кислота ($C_6H_5CH_2COOH$) и бензиллитий ($C_6H_5CH_2Li$).

д) фенилэтилкетон

Фенилэтилкетон (пропиофенон, $C_6H_5-CO-CH_2CH_3$) — несимметричный кетон. Возможны два пути синтеза:

1. Из бензойной кислоты и этиллития:

$C_6H_5COOH + 2 \cdot CH_3CH_2Li \xrightarrow{1. \text{растворитель}} \xrightarrow{2. H_3O^{+}} C_6H_5-\overset{\Large O}{\overset{||}{C}}-CH_2CH_3$

2. Из пропионовой кислоты и фениллития:

$CH_3CH_2COOH + 2 \cdot C_6H_5Li \xrightarrow{1. \text{растворитель}} \xrightarrow{2. H_3O^{+}} CH_3CH_2-\overset{\Large O}{\overset{||}{C}}-C_6H_5$

Ответ: бензойная кислота ($C_6H_5COOH$) и этиллитий ($CH_3CH_2Li$) или пропионовая кислота ($CH_3CH_2COOH$) и фениллитий ($C_6H_5Li$).

3.199. Определите неизвестные вещества в цепочках превращений.

а) 1. Нитрование толуола серно-азотной смесью. Метильная группа является орто- и пара-ориентантом. Основным продуктом будет пара-нитротолуол из-за меньших стерических затруднений.

$C_6H_5CH_3 \xrightarrow{HNO_3, H_2SO_4} p-O_2N-C_6H_4-CH_3$ (X1)

2. Окисление боковой цепи алкилбензола перманганатом калия в кислой среде при нагревании. Метильная группа окисляется до карбоксильной.

$p-O_2N-C_6H_4-CH_3 \xrightarrow{KMnO_4, H_2SO_4, t} p-O_2N-C_6H_4-COOH$ (X2)

3. Получение хлорангидрида из карбоновой кислоты с помощью тионилхлорида.

$p-O_2N-C_6H_4-COOH \xrightarrow{SOCl_2} p-O_2N-C_6H_4-COCl$ (X3)

4. Ацилирование бензола по Фриделю-Крафтсу. Происходит образование кетона.

$p-O_2N-C_6H_4-COCl + C_6H_6 \xrightarrow{AlCl_3} p-O_2N-C_6H_4-CO-C_6H_5$ (X4)

5. Восстановление по Вольфу-Кишнеру. В жестких условиях (гидразин, щелочь, температура) происходит восстановление кето-группы до метиленовой. Нитрогруппа в этих условиях, как правило, не затрагивается.

$p-O_2N-C_6H_4-CO-C_6H_5 \xrightarrow{N_2H_4, KOH, t} p-O_2N-C_6H_4-CH_2-C_6H_5$ (X5)

Ответ:
X1 - 4-нитротолуол ($p-O_2N-C_6H_4-CH_3$)
X2 - 4-нитробензойная кислота ($p-O_2N-C_6H_4-COOH$)
X3 - 4-нитробензоилхлорид ($p-O_2N-C_6H_4-COCl$)
X4 - 4-нитробензофенон ($p-O_2N-C_6H_4-CO-C_6H_5$)
X5 - 4-нитродифенилметан ($p-O_2N-C_6H_4-CH_2-C_6H_5$)

б) 1. Гидроборирование фенилацетилена катехолбораном. Происходит анти-Марковниковское присоединение бора к терминальному атому углерода с образованием винилборана.

$C_6H_5-C \equiv CH \xrightarrow{HB(O_2C_6H_4)} C_6H_5-CH=CH-B(O_2C_6H_4)$ (X1)

2. Окисление винилборана пероксидом водорода в щелочной среде. Образующийся енол таутомеризуется в альдегид.

$C_6H_5-CH=CH-B(O_2C_6H_4) \xrightarrow{H_2O_2, NaOH} C_6H_5CH_2CHO$ (X2)

3. Окисление по Пиннику. Альдегид селективно окисляется до карбоновой кислоты хлоритом натрия.

$C_6H_5CH_2CHO \xrightarrow{NaClO_2, Na_2HPO_4} C_6H_5CH_2COOH$ (X3)

4. Реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского. Происходит бромирование карбоновой кислоты в α-положение.

$C_6H_5CH_2COOH \xrightarrow{Br_2, P_{кр}} C_6H_5CH(Br)COOH$ (X4)

5. Этерификация по Фишеру. Карбоновая кислота реагирует с метанолом в кислой среде с образованием сложного эфира.

$C_6H_5CH(Br)COOH \xrightarrow{CH_3OH, H^+} C_6H_5CH(Br)COOCH_3$ (X5)

Ответ:
X1 - эфир (E)-2-фенилвинилбороновой кислоты и катехола ($C_6H_5CH=CHB(O_2C_6H_4)$)
X2 - фенилацетальдегид ($C_6H_5CH_2CHO$)
X3 - фенилуксусная кислота ($C_6H_5CH_2COOH$)
X4 - α-бромфенилуксусная кислота ($C_6H_5CH(Br)COOH$)
X5 - метил-α-бромфенилацетат ($C_6H_5CH(Br)COOCH_3$)

в) Нумерация веществ в данной цепочке, вероятно, содержит опечатку. Представлено наиболее логичное решение последовательности превращений.

1. Окисление циклогексанона азотной кислотой приводит к разрыву цикла и образованию дикарбоновой кислоты.

Циклогексанон $\xrightarrow{HNO_3} HOOC-(CH_2)_4-COOH$ (X1)

2. Пиролиз кальциевой соли адипиновой кислоты. При нагревании с оксидом кальция адипиновая кислота образует соль, которая при сухой перегонке циклизуется с образованием циклического кетона.

$HOOC-(CH_2)_4-COOH \xrightarrow{CaO, t} $ Циклопентанон + $CaCO_3$ (X2)

3. Присоединение синильной кислоты к кетону с образованием циангидрина.

Циклопентанон $\xrightarrow{HCN}$ Циклопентанон-циангидрин (X3)

4. Кислотный гидролиз нитрильной группы до карбоксильной. Образуется α-гидроксикислота.

Циклопентанон-циангидрин $\xrightarrow{H_2O, H^+}$ 1-гидроксициклопентанкарбоновая кислота (X4)

Ответ:
X1 - адипиновая кислота ($HOOC-(CH_2)_4-COOH$)
X2 - циклопентанон
X3 - циклопентанон-циангидрин
X4 - 1-гидроксициклопентан-1-карбоновая кислота

г) 1. Гидроборирование-окисление бутена-1. Происходит присоединение воды против правила Марковникова, образуется первичный спирт.

$CH_3CH_2CH=CH_2 \xrightarrow{1)B_2H_6, 2)H_2O_2, H_2O} CH_3CH_2CH_2CH_2OH$ (X1)

2. Окисление первичного спирта сильным окислителем (дихроматом калия в серной кислоте) до карбоновой кислоты.

$CH_3CH_2CH_2CH_2OH \xrightarrow{K_2Cr_2O_7, H_2SO_4} CH_3CH_2CH_2COOH$ (X2)

3. Радикальное хлорирование. Хлорирование в присутствии УФ-света идет по радикальному механизму. Наиболее вероятна атака по третичному или вторичному атому углерода. В данном случае наиболее реакционноспособным (за вычетом дезактивированного α-положения) является C-3 (β-положение).

$CH_3CH_2CH_2COOH \xrightarrow{Cl_2, h\nu} CH_3CH(Cl)CH_2COOH$ (X3)

4. Этерификация по Фишеру. Образование сложного эфира при реакции с этанолом в кислой среде.

$CH_3CH(Cl)CH_2COOH \xrightarrow{C_2H_5OH, H^+} CH_3CH(Cl)CH_2COOC_2H_5$ (X4)

5. Нуклеофильное замещение. Азид-ион замещает атом хлора по механизму $S_N2$.

$CH_3CH(Cl)CH_2COOC_2H_5 \xrightarrow{NaN_3} CH_3CH(N_3)CH_2COOC_2H_5$ (X5)

Ответ:
X1 - бутанол-1 ($CH_3CH_2CH_2CH_2OH$)
X2 - бутановая (масляная) кислота ($CH_3CH_2CH_2COOH$)
X3 - 3-хлорбутановая кислота ($CH_3CH(Cl)CH_2COOH$)
X4 - этил-3-хлорбутаноат ($CH_3CH(Cl)CH_2COOC_2H_5$)
X5 - этил-3-азидобутаноат ($CH_3CH(N_3)CH_2COOC_2H_5$)

д) 1. Электрофильное бромирование бензола в присутствии катализатора.

$C_6H_6 \xrightarrow{Br_2, FeBr_3} C_6H_5Br$ (X1)

2. Получение реактива Гриньяра из бромбензола и магния в эфире.

$C_6H_5Br \xrightarrow{Mg, эфир} C_6H_5MgBr$ (X2)

3. Реакция Гриньяра с диоксидом углерода (карбоксилирование). Образуется магниевая соль бензойной кислоты.

$C_6H_5MgBr \xrightarrow{CO_2} C_6H_5COOMgBr$ (X3)

4. Обработка соляной кислотой (кислотный гидролиз) для получения свободной карбоновой кислоты.

$C_6H_5COOMgBr \xrightarrow{HCl} C_6H_5COOH$ (X4)

5. Электрофильное бромирование бензойной кислоты. Карбоксильная группа - мета-ориентант.

$C_6H_5COOH \xrightarrow{Br_2, FeBr_3} m-Br-C_6H_4-COOH$ (X5)

Ответ:
X1 - бромбензол ($C_6H_5Br$)
X2 - фенилмагнийбромид ($C_6H_5MgBr$)
X3 - броммагниевая соль бензойной кислоты ($C_6H_5COOMgBr$)
X4 - бензойная кислота ($C_6H_5COOH$)
X5 - 3-бромбензойная кислота ($m-Br-C_6H_4-COOH$)

е) 1. Металлирование фурана н-бутиллитием. Происходит отрыв наиболее кислого протона в α-положении.

Фуран $\xrightarrow{BuLi}$ 2-фуриллитий (X1)

2. Карбоксилирование литийорганического соединения диоксидом углерода с последующей обработкой кислотой.

2-фуриллитий $\xrightarrow{1) CO_2, 2) HCl}$ фуран-2-карбоновая кислота (X2)

3. Нейтрализация кислоты щелочью с образованием соли.

Фуран-2-карбоновая кислота $\xrightarrow{NaOH}$ натриевая соль фуран-2-карбоновой кислоты (X3)

4. Алкилирование карбоксилат-аниона йодистым метилом с образованием сложного эфира.

Натриевая соль фуран-2-карбоновой кислоты $\xrightarrow{CH_3I}$ метилфуран-2-карбоксилат (X4)

5. Восстановление сложного эфира алюмогидридом лития до первичного спирта. Фурановый цикл в этих условиях обычно не затрагивается.

Метилфуран-2-карбоксилат $\xrightarrow{1) LiAlH_4, 2) H_2O}$ 2-фурилметанол (фурфуриловый спирт) (X5)

Ответ:
X1 - 2-фуриллитий
X2 - фуран-2-карбоновая кислота
X3 - натрий фуран-2-карбоксилат
X4 - метилфуран-2-карбоксилат
X5 - 2-фурилметанол (фурфуриловый спирт)

ж) 1. Радикальное бромирование циклогексана при УФ-облучении.

Циклогексан $\xrightarrow{Br_2, h\nu}$ Бромциклогексан (X1)

2. Дегидробромирование (элиминирование) спиртовым раствором щелочи при нагревании с образованием алкена.

Бромциклогексан $\xrightarrow{KOH, C_2H_5OH, t}$ Циклогексен (X2)

3. Озонолиз с восстановительной обработкой (цинк в воде). Происходит разрыв двойной связи с образованием двух альдегидных групп.

Циклогексен $\xrightarrow{1) O_3, 2) Zn/H_2O}$ Гександиаль (адипиновый альдегид) ($OHC-(CH_2)_4-CHO$) (X3)

4. Окисление диальдегида сильным окислителем до дикарбоновой кислоты.

$OHC-(CH_2)_4-CHO \xrightarrow{KMnO_4, H_2SO_4} HOOC-(CH_2)_4-COOH$ (X4)

5. Этерификация по Фишеру. Обе карбоксильные группы этерифицируются метанолом.

$HOOC-(CH_2)_4-COOH \xrightarrow{CH_3OH, H^+} CH_3OOC-(CH_2)_4-COOCH_3$ (X5)

Ответ:
X1 - бромциклогексан
X2 - циклогексен
X3 - гександиаль ($OHC-(CH_2)_4-CHO$)
X4 - адипиновая кислота ($HOOC-(CH_2)_4-COOH$)
X5 - диметиладипат ($CH_3OOC-(CH_2)_4-COOCH_3$)

з) 1. Син-гидроксилирование циклопентена тетроксидом осмия. Образуется цис-диол.

Циклопентен $\xrightarrow{OsO_4, H_2O_2}$ цис-циклопентан-1,2-диол (X1)

2. Окислительное расщепление гликоля периодатом натрия. Связь C-C между гидроксильными группами разрывается, образуется диальдегид.

цис-циклопентан-1,2-диол $\xrightarrow{NaIO_4}$ Глутаровый альдегид ($OHC-(CH_2)_3-CHO$) (X2)

3. Окисление по Пиннику. Диадьдегид окисляется до дикарбоновой кислоты.

$OHC-(CH_2)_3-CHO \xrightarrow{NaClO_2, Na_2HPO_4}$ Глутаровая кислота ($HOOC-(CH_2)_3-COOH$) (X3)

4. Нейтрализация глутаровой кислоты щелочью с образованием двузамещенной соли.

$HOOC-(CH_2)_3-COOH \xrightarrow{NaOH}$ Динатрий глутарат ($NaOOC-(CH_2)_3-COONa$) (X4)

5. Нагревание соли со щелочью (декарбоксилирование натронной известью). Происходит отщепление обеих карбоксильных групп.

$NaOOC-(CH_2)_3-COONa \xrightarrow{NaOH, t} CH_3-CH_2-CH_3$ (X5)

Ответ:
X1 - цис-циклопентан-1,2-диол
X2 - глутаровый альдегид ($OHC-(CH_2)_3-CHO$)
X3 - глутаровая кислота ($HOOC-(CH_2)_3-COOH$)
X4 - динатрий глутарат ($NaOOC-(CH_2)_3-COONa$)
X5 - пропан ($C_3H_8$)

и) 1. Получение реактива Гриньяра из йодбензола.

$C_6H_5I \xrightarrow{Mg, эфир} C_6H_5MgI$ (X1)

2. Реакция реактива Гриньяра с оксираном (эпоксидом) с последующим гидролизом. Происходит нуклеофильная атака с раскрытием цикла и удлинением цепи на два атома углерода.

$C_6H_5MgI \xrightarrow{1) оксиран, 2) H_2O} C_6H_5CH_2CH_2OH$ (X2)

3. Окисление первичного спирта сильным окислителем до карбоновой кислоты.

$C_6H_5CH_2CH_2OH \xrightarrow{K_2Cr_2O_7, H_2SO_4} C_6H_5CH_2COOH$ (X3)

4. Получение хлорангидрида из карбоновой кислоты.

$C_6H_5CH_2COOH \xrightarrow{SOCl_2} C_6H_5CH_2COCl$ (X4)

5. Реакция ацилхлорида с фенолом в присутствии основания (триэтиламина, который связывает HCl) с образованием сложного эфира.

$C_6H_5CH_2COCl + C_6H_5OH \xrightarrow{NEt_3} C_6H_5CH_2COOC_6H_5$ (X5)

Ответ:
X1 - фенилмагниййодид ($C_6H_5MgI$)
X2 - 2-фенилэтанол ($C_6H_5CH_2CH_2OH$)
X3 - фенилуксусная кислота ($C_6H_5CH_2COOH$)
X4 - фенилацетилхлорид ($C_6H_5CH_2COCl$)
X5 - фенилфенилацетат ($C_6H_5CH_2COOC_6H_5$)

к) 1. α-бромирование ацетона в кислой среде. Реакция идет через енольную форму.

$CH_3COCH_3 \xrightarrow{Br_2, CH_3COOH} BrCH_2COCH_3$ (X1)

2. Нуклеофильное замещение брома на циангруппу.

$BrCH_2COCH_3 \xrightarrow{NaCN} NCCH_2COCH_3$ (X2)

3. Кислотный гидролиз нитрильной группы до карбоксильной с образованием β-кетокислоты.

$NCCH_2COCH_3 \xrightarrow{H_2O, H^+} HOOCCH_2COCH_3$ (X3)

4. Двухстадийный процесс: сначала получение хлорангидрида, затем его этерификация метанолом.

$HOOCCH_2COCH_3 \xrightarrow{1) SOCl_2, 2) CH_3OH} CH_3OOCCH_2COCH_3$ (X4)

5. Селективное восстановление кето-группы боргидридом натрия. Сложноэфирная группа не затрагивается.

$CH_3OOCCH_2COCH_3 \xrightarrow{NaBH_4, CH_3OH} CH_3OOCCH_2CH(OH)CH_3$ (X5)

Ответ:
X1 - бромацетон ($BrCH_2COCH_3$)
X2 - ацетоацетонитрил (цианоацетон) ($NCCH_2COCH_3$)
X3 - ацетоуксусная кислота ($HOOCCH_2COCH_3$)
X4 - метилацетоацетат ($CH_3OOCCH_2COCH_3$)
X5 - метил-3-гидроксибутаноат ($CH_3OOCCH_2CH(OH)CH_3$)